A/D Prevodník s dvojnásobnou integráciou
1 Základná myšlienka
Činnosť, resp. základnú myšlienku tohto typu prevodníka, si objasníme na obr. 1. Sú na ňom nakreslené dva zdroje napätia. Veľkosť napätia jedného z nich poznáme, ktoré sa rovná napr. 5 V. Napätie druhého zdroja nepoznáme a máme ho určiť meraním. Na meranie budeme používať RC obvod. Ak sa obidvoma vývodmi tohto obvodu budeme dotýkať v priebehu určitej relatívne krátkej doby Δt oboch pólov batérie s neznámym napätím, kondenzátor sa cez odpor R nabije na určité napätie, pričom počas nabíjania bude napätie na kondenzátore v čase lineárne narastať. Jeho priebeh vystihuje prvý graf na obr. 2.
Po uplynutí definovanej doby Δt odpojíme RC obvod od zdroja. Meranie pokračuje tak, že RC obvod s nabitým kondenzátorom pripojíme k opačnej polarite na druhý zdroj napätia so známym napätím U. Kondenzátor sa teraz začne vybíjať až na nulové napätie. Pri dlhodobejšom zapojení by sa začal nabíjať aj na opačnú polaritu. Nás však zaujíma vybíjanie len do okamihu, kým sa kondenzátor vybije na nulové napätie. Označme dobu úplného vybitia kondenzátora symbolom Δt'. Ak dokážeme zmerať dobu Δt', môžeme na jej základe určiť aj veľkosť neznámeho napätia. Proces opísaného nabíjania a následného vybíjania kondenzátora spojeného s rezistorom možno vyniesť aj do grafu, ktorý je na obrázku č.3. Na obrázku je aj znázornený spôsob merania vybíjacej doby Δt'. Tá sa určuje na základe počítania impulzov, ktoré vyprodukuje za uvedenú dobu generátor impulzov. Tento počet je označený ako ΔN'. Počítanie impulzov sa zastaví v čase, keď napätie na kondenzátore dosiahne presne nulovú hodnotu.
2 Prečo sa uvažovaný prevodník nazýva prevodníkom s dvojitou integráciou?
V podstate preto, že RC obvod je všeobecne známy. Využívajú sa jeho integračné vlastnosti. V minulosti bol veľmi rozšírený v analógových počítačoch. Faktom je, že napätie na kondenzátore, ktoré je priamo úmerné náboju na jeho doskách a je určené časovým integrálom pripojeného napätia na RC člen. Je teda
[math]UC = k\int{Udt}[/math]
kde k je konštanta. V našom prípade môžeme integrál so vzorca vypustiť, nakoľko my vždy pripájame konštantné napätie. Z posledného vzťahu získame závislosť U(t) pri nabíjaní v tvare
[math]UC = k U\Delta{t}\,\![/math]
Podobne jednoduché je to aj pri vybíjaní. Rozdiel je len v tom, že sa zmení polarita zdroja a kondenzátor nie je vybitý, ale nabitý, t.j. v začiatočnom stave je kondenzátor nabitý.
3 Praktická realizácia prevodníka s dvojitou integráciou
Na obr. 4 je znázornená jednoduchá schéma takéhoto prevodníka. V kondenzátore C dochádza k akumulácií napätia. Komparátor vyhodnocuje na aké napätie je kondenzátor nabitý. Ak je na nabitý napätie zdroja U, prepne sa prepínač, kondenzátor sa začne vybíjať a obvod časovania meria tento čas. Výstupom je hodnota n, t.j. počet impulzov za čas vybíjania. Na obr. 5. vidíme celkové usporiadanie takéhoto prevodníka. Impulzy z generátora G idú k čítaču Č cez logický AND. Ten sa otvorí len vtedy, ak mu vyšle riadiaca jednotka log. 1. Riadiaca jednotka pripája na RC obvod spomínané napätia prostredníctvom dvoch tranzistorov. Buď pripojí známe napätie alebo neznáme (merané) napätie. Tým sa kondenzátor raz nabíja a raz vybíja. Napätie na kondenzátore sleduje komparátor, ktorý dosiahnutie nulovej hodnoty tohto napätia hlási riadiacej jednotke. Tá dá povel na uzavretie spojenia medzi generátorom a čítačom, čo sa vykoná pomocou už spomínaného AND. Vtedy sa začne kondenzátor nabíjať. Ak dosiahne hodnotu napätia zdroja, zopne sa dolný tranzistor a kondenzátor sa začne vybíjať. Riadiacca jednotka otvorí spojenie medzi generátorom a čítačom. Tak sa na čítači získa počet impulzov ΔN', ktoré vzniknú počas vybíjania kondenzátora.
V tomto obvode napätie na kondenzátore spočiatku narastá lineárne, ale neskôr sa začne spomaľovať a nakoniec sa ustáli na hodnote napätia zdroja. Priebeh napätia na kondenzátore závisí aj od použitého odpou R. Ak použijeme veľký odpor, nárast napätia bude pomalý a naopak. Ak použijeme malý odpor, nárast napätia bude rýchly. Pri tomto prevodníku sa ale využíva lineárna časť charakteristiky pri nabíjaní aj vybíjaní. Riadiaca jednotka musí vysielať log. 1 len v čase od úplného nabitia po čas, keď má kondenzátor presnú nulu. Závisí od toho presnosť celého prevodníka.
